Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 35 из 88

15.3.6. Технология плавки. Много­летний опыт эксплуатации кислород­ных конвертеров позволил повсемест­но установить следующий порядок загрузки шихты. В освободившийся после предыдущей плавки конвертер загружают лом — лоток с ломом пред­варительно взвешивают и доставляют к конвертеру заблаговременно; в мо­мент загрузки лоток при помощи кра­на наклоняют (опрокидывают) и лом ссыпается в конвертер. После загрузки лома в конвертер заливают необходи­мое количество жидкого чугуна (со­став с чугуновозными ковшами зара­нее подают к конвертеру). После окончания заливки чугуна конвертер устанавливают в вертикальное поло­жение, опускают кислородную фурму и начинают продувку.

Шлакообразующие и добавочные материалы вводят в конвертер в пред­варительно измельченном виде (до фракции 20—25 мм). Такие материалы называют сыпучими. Подачу сыпучих материалов осуществляют тремя спо­собами: 1) все сыпучие загружают в конвертер до заливки чугуна (под чу­гун) или даже до загрузки лома; 2) сы­пучие материалы вводят непрерывно сверху по ходу продувки; 3) часть сы­пучих (около половины) присаживают

одновременно с началом продувки, остальное количество вводят в течение нескольких минут непрерывно по ходу продувки. Чаще всего используют тре­тий способ. Продолжительность плав­ки в современном конвертере состав­ляет 30—45 мин, в том числе:

мин

Завалка лома и заливка чугуна 5—10

Продувка кислородом 12—17

Повалка, отбор проб, замер темпера­туры 4 - 6

Слив металла и шлака, осмотр и ре­монт футеровки 8—12
Типичная диаграмма конвертерной плавки представлена на рис. 15.14, из которой видно, что, начиная с момен­та начала подачи кислорода, в конвер­тере одновременно идут процессы окисления примесей, нагрева ванны и шлакообразования. Все эти процессы взаимосвязаны; их протекание зависит также от состава и характера шихто­вых и шлакообразующих материалов, конструкции фурмы, давления и рас­хода кислорода и организации продув­ки.

15.3.7. Состав шихтовых материа­лов. В кислородном конвертере можно перерабатывать чугуны с широким ди-



Рис. 15.14. Изменение состава металла в шла­ке по ходу плавки в кислородном конвертере
апазоном колебаний состава, однако для организации наиболее простой технологии желательны некоторые ог­раничения по содержанию следующих элементов:

Si — образующийся при окислении кремния SiO₂ благодаря выделению тепла ускоряет процесс растворения извести в шлаке и процесс шлакообра­зования в целом. Выделяющееся тепло расходуется на нагрев металлического лома. Однако при очень высоком со­держании кремния образуется такая масса SiO₂, что для создания шлака необходимой основности требуется значительно увеличивать расход изве­сти. При этом возрастают масса шлака и соответственно потери железа со шлаком и др. Кроме того, при высо­ком содержании в шлаке SiO₂ снижа­ется стойкость основных огнеупоров, поэтому стремятся иметь в чугуне не более 0,8 % Si.

Мп — при решении вопроса о целе­сообразном содержании в чугуне мар­ганца учитывают ряд моментов. При окислении марганца выделяется теп­ло, а образующиеся оксиды марганца снижают температуру плавления ос­новных шлаков и ускоряют шлакооб­разование. Марганец при продувке ванны кислородом почти полностью выгорает, поэтому чем больше мар­ганца в чугуне, тем больше угар и тем меньше выход стали. Повышения со­держания марганца в чугуне при пере­работке в доменном цехе обычных же­лезорудных материалов можно до­биться, вводя в состав доменной ших­ты марганцевую руду, а это повышает стоимость чугуна. Марганец, содержа­щийся в чугуне, способствует десуль-фурации металла. Практически в большинстве случаев чугун содержит 0,3-0,8 % Мп.

Р и S — в чугуне должно быть ми­нимальное содержание этих элемен­тов. Обычно в чугуне содержится <0,2 % Р и <0,04 % S.

К лому, загружаемому в конвертер, предъявляют обычные требования о недопустимости высокого содержания вредных примесей. Кроме того, учи­тывая опасность повреждения футе­ровки, ограничивают размеры кусков лома. Требования, предъявляемые к качеству шлакообразующих материалов и твердых окислителей, обычные. Специальным требованием является недопустимость подачи сыпучих мате­риалов в виде пыли, так как пылевид­ные материалы уносятся отходящими газами.

15.3.8. Окисление примесей и шла­кообразование. При рассмотрении тех­нологии конвертерной плавки необхо­димо учитывать два непрерывно и од­новременно протекающих процесса:

интенсивную подачу кислорода (окис­лительная атмосфера в зоне реакции)

и шлакообразование (образование слоя шлака, постепенное повышение его основности и увеличение массы шлака по ходу продувки).

Процесс плавки в кислородном конвертере иногда условно делят на два периода: первый, когда концентрации примесей (С, Si, Mn, P) достаточно высоки; второй, когда в ванне почти не оста­лось примесей и интенсивно окисля­ется железо. Во время первого перио­да интенсивность (скорость) окисле­ния примесей определяется интенсив­ностью подачи кислорода (т. е. лимитируется внешним массопереносом). Чем больше интенсивность про­дувки, тем выше скорость окисления примесей.

На некоторых современных кон­вертерах достигали интенсивности по­дачи кислорода до 5—8 м³/(т • мин). При таком повышении интенсивности продувки общая продолжительность плавки несколько уменьшается; вмес­те с тем наблюдаются выбросы, ухуд­шаются условия службы футеровки, усложняется контроль за ходом плав­ки, замедляется шлакообразование, наблюдаются случаи запаздывания расплавления загружаемого в конвер­тер металлолома. Но даже при такой интенсивной подаче кислорода сте­пень его усвоения составляет 90—95 %, поэтому можно считать, что и при очень высоком расходе кислорода в первый период ванна в состоянии ус­воить весь подаваемый кислород.

Соотношение количеств примесей, окислившихся в результате взаимодей­ствия с кислородом и с оксидами желе­за, зависит от условий продувки. Если, не изменяя давления кислорода, под­нимать фурму, струи кислорода рас­текаются по поверхности и преимущественно окисляется железо. Много­численными исследованиями установ­лено, что чем больше (до известных ра­зумных пределов) расстояние между фурмой и поверхностью металла, тем больше железа в шлаке. Наличие желе­зистого шлака обеспечивает быстрое растворение загружаемой в конвертер извести и формирование жидкопод-вижного основного шлака (рис. 15.15). Процесс растворения извести в шлаке продолжается по ходу всей плавки. Технология ведения плавки должна обеспечить к концу операции полное растворение извести.

Проф. Р. В. Старов на основе обра­ботки большого массива эксперимен­тальных данных предложил следую­щую полуэмпирическую формулу для расчета скорости растворения извести в шлаке V_раст^изв, т/мин (для условий ра­боты 130-т конвертера):

V_раст^изв = 0,0716(FeO+MnO)+0,0054t_мет= 9,39.

Из этой формулы следует, что чем выше концентрации FeO и МпО в шлаке и чем выше температура метал­ла, тем известь растворяется быстрее.

Окисление кремния, обладающего высоким химическим сродством к кислороду, происходит интенсивно в первые минуты продувки. Получаю­щийся при этом кремнезем взаимо­действует с СаО, образуя силикаты:

(SiO₂) + 2(СаО) = (СаО)₂ • SiO₂,

K=a_{(CaO)2 ∙ SiO2}/a _{(SiO2) ∙} a_(CaO)



Рис. 15.15. Зависимость скорости растворе­ния извести в шлаке от содержания в нем FeO и МnО
В основном шлаке активность СаО велика, поэтому по мере повышения основности значение a _(SiO2) становит­ся ничтожно малым и кремний окис­ляется в первые же минуты продувки практически полностью.

Окисление марганца приводит к об­разованию основного оксида МnО, однако более слабого, чем другой ос­новный оксид СаО. В результате связи СаО с кислотными оксидами SiO₂ и Р₂О₅ сильнее, чем связи МпО с этими оксидами. В связи с этим активность (МпО) по ходу плавки остается замет­ной величиной и содержание марган­ца в металле определяется константой равновесия реакций:
(FeO) + [Мп] = (МпО) + Fe;

К = a_(МпО)/a _(FеО)а_[Mn] ;

а_[Mn] = (1/К) _∙ (а_(MnO)/a_(FeO).
В момент, когда создаются условия для интенсивного кипения ванны, уг­лерод окисляется под действием кис­лорода дутья и оксидов железа шлака; значение a_(FеO) при этом уменьшается, а содержание марганца в металле воз­растает. При повышении основности кислотные оксиды полностью связы­ваются СаО, соответственно возрас­тает а_(МпО), что также приводит к уве­личению содержания марганца в ме­талле.

Реакция окисления марганца экзо­термическая, и повышение температу­ры сдвигает равновесие в сторону вос­становления марганца. Содержание марганца в металле зависит от содер­жания марганца в чугуне и соответ­ственно от концентрации (МпО) в шлаке. Наиболее заметен процесс вос­становления марганца во второй поло­вине плавки, когда интенсивно окис­ляется углерод, температура ванны и основность шлака высоки. В некото­рых случаях при повышенных содер­жаниях марганца в чугуне марганец в конце плавки может восстанавливать­ся до 0,4—0,5 %, что исключает необ­ходимость использования ферромар­ганца для раскисления стали. В самом конце операции, когда окислились все примеси, продолжение продувки ван­ны кислородом сопровождается окис-

лением железа; при этом a_(FеO) возрас­тает, что сдвигает равновесие в сторо­ну окисления марганца.

Напомним, что повышенные кон­центрации МпО в шлаке могут наблю­даться лишь в случае высокой концен­трации марганца в шихте или при вве­дении в состав шихты таких материа­лов, как, например, марганцевая руда. А это связано с дополнительными рас­ходами. Поэтому современная практи­ка конвертерного производства ори­ентируется на переработку маломар­ганцовистого чугуна, а для ускорения шлакообразования — на использова­ние материалов типа железофлюса (ожелезненной извести), плавикового шпата и др. (см. разд. 5.1).

Процесс дефосфорации развивается по мере формирования основного шлака. В окислении фосфора прини­мают участие оксиды железа и каль­ция:
2[Р] + 5(FeO)+4(СаО)=(СаО)₄ • Р₂О₅ + 5Fe_ж.
Эта реакция экзотермическая; ее протеканию благоприятствуют уме­ренные температуры. Успешному уда­лению фосфора в шлак способствуют высокая активность оксидов железа в шлаке и высокая основность (высокая активность СаО). В тех случаях, когда обычная технология не обеспечивает получение требуемой степени дефос­форации, уменьшают активность фос­фора в шлаке. Для этого в конце плав­ки скачивают шлак, содержащий не­которое количество фосфора, и наво­дят новый шлак при помощи подсадки чистой извести, шлакообразующих и кратковременной продувки. Такую технологию иногда называют двухшлаковым процессом или техноло­гией со скачиванием шлака. При пе­реработке обычных чугунов (содержа­щих < 0,3 % Р) получение необходи­мых низких концентраций фосфора обеспечивают и без скачивания шла­ка. Такую технологию иногда называ­ют одношлаковым процессом.

Окисление углерода происходит в течение всего периода продувки. Ско­рость окисления углерода определяют как интенсивностью подачи кислоро­да, так и условиями образования и вы­деления продуктов реакции — пузырей монооксида углерода. Эти условия более благоприятны на границах раз­делов фаз (металл—газ, металл—футе­ровка и т. д.).

Для образования пузырей СО и со­ответственно протекания реакции обезуглероживания необходим опре­деленный уровень перегрева металла над линией ликвидуса. Особенно за­метно влияние температуры при пере­греве 100°С.

Поскольку реакция идет главным образом в зоне воздействия струй кис­лорода, условия ее протекания суще­ственно зависят и от конструкции фурмы. Поясним это примером. При благоприятных условиях скорость окисления углерода достигает значе­ний 0,5 % С/мин. Это значит, что, на­пример, в 350-т конвертере за 1 мин окисляется (0,5 • 350)/100 = 1,75т уг­лерода; при этом в результате протека­ния реакции 2[С] + О₂ = 2СО_Г образу­ется -4000 кг, или 3190м³ СО. При 1400°С объем образующегося СО возрастает примерно в 6 раз. Если применять односопловую фурму, то площадь зоны воздействия струи кис­лорода на ванну можно принять рав­ной -1 м². Значит, через 1 м² площади ванны должно было бы выделиться газа 3190-6 = 19140м³/мин (>300м³/с). При такой работе ванна в зоне воздей­ствия струи вспучивается, происходит выплеск металла и шлака, поэтому для крупных конвертеров всегда предус­матривается использование многосоп­ловых фурм, причем оси сопел распо­ложены под некоторым углом к верти­кали. Этим достигается воздействие струй на большую площадь ванны (площадь ванны 300-т конвертера -35 м²), облегчается управление про­цессом и уменьшается вероятность выбросов.

По мере повышения температуры металла и снижения концентрации та­ких имеющих высокое химическое сродство к кислороду примесей, как кремний и марганец, скорость окисле­ния углерода возрастает и через 5—7 мин после начала продувки достига­ет максимального значения. Степень полезного использования кислорода в этот момент приближается к 100 %. Для того чтобы в этот период плавки улучшить условия выделения монооксида углерода и обеспечить макси­мальное использование подаваемого кислорода для окисления углерода (а не железа), фурму несколько опуска­ют и струи кислорода более интенсив­но внедряются в металл — площадь поверхности раздела окислительный газ—металл резко возрастает. Условия протекания реакции окисления угле­рода оказываются настолько благо­приятными, что на окисление углеро­да в эти моменты расходуется больше кислорода, чем подается через фурму (частично расходуются оксиды железа шлака). Так продолжается 5—10 мин (в зависимости от интенсивности подачи кислорода) до момента, когда концен­трация углерода снизится до -0,10%. Скорость окисления углерода при этом резко снижается, интенсивно окисляется железо, возрастает со­держание железа (в виде оксидов) в шлаке.

Удаление серы. Как известно, для эффективного удаления серы требует­ся обеспечить контакт металла с высокоосновным малоокисленным шла­ком. В окислительных условиях веде­ния конвертерной плавки шлак содер­жит много оксидов железа, поэтому добиться в конвертере высокой степе­ни десульфурации трудно. Однако оп­ределенная часть серы по ходу плавки удаляется — в шлак и в газовую фазу (5—10 % удаленной серы).

По мере увеличения основности шлака (повышения значений A_(СаО)) коэффициент распределения серы _s = (S)/[S] растет и содержание серы в металле уменьшается. К кон­цу операции при основности шлака CaO/SiO₂ = 3,5 коэффициент распре­деления серы _s = 8 — 10. При перера­ботке чугунов нормального состава это обеспечивает получение в конце операции металла с содержанием серы 0,020-0,040 %.

Для рядовых марок стали такой по­казатель может быть признан удовлет­ворительным. Для качественных ма­рок необходимо продолжить проведе­ние операций десульфурации в про­цессе выпуска (слива) металла из конвертера, в ковше и далее методами внепечной обработки.

Окончание операции. Таким обра­зом, к концу операции из металла удаляется практически весь содержав­шийся в шихте кремний, большая часть марганца, почти весь углерод и определенная часть фосфора и серы, кипение ванны прекращается, уро­вень ванны понижается и фурма ока­зывается расположенной выше уровня ванны. Уменьшаются объем реакци­онной зоны и площадь поверхности реагирования.

В этот период процессы окисления компонентов ванны протекают не по внешнему, а по внутридиффузионному режиму, скорость процесса определя­ется не интенсивностью подвода кис­лорода и шлакообразования, а интен­сивностью подвода к месту реакции той или иной примеси. Если при этом не уменьшить подачу кислорода или не прекратить продувку, то интенсив­ность подвода (диффузии) примесей к месту реакции окажется ниже интен­сивности подачи кислорода и начнет­ся интенсивное окисление железа. Об­разующиеся при этом оксиды железа уже не будут расходоваться полностью на окисление примесей (примесей ос­талось мало), соответственно шлак бу­дет обогащаться оксидами железа. Обычно продувку во второй период осуществляют лишь в тех случаях, ког­да необходимо получить в стали особо низкое содержание углерода.

Существующие методы контроля хода плавки еще несовершенны, по­этому наряду с автоматическим конт­ролем хода плавки по ряду косвенных признаков во многих случаях отбира­ют также пробы металла на анализ. Для этого пользуются или специаль­ным аппаратом для отбора проб по ходу продувки, или прерывают про­дувку, наклоняют конвертер (произ­водят «повалку» конвертера) и отбира­ют пробу. Если оказалось, что для по­лучения содержания углерода, соот­ветствующего требуемой марке стали, нужно продолжить продувку еще не­которое время, то конвертер вновь ус­танавливают в вертикальное положе­ние и возобновляют продувку. Эту до­полнительную операцию иногда назы­вают передувкой или додувкой; она продолжается обычно несколько де­сятков секунд.